Prediction of Scour Hole Dimension Downstream of Siphon Spillway Under Submerged Condition

Subject Areas : Article frome a thesis

mehdi fuladipanah ¹ , reza jafarinia ²

1 - Department of civil engineering, ramhormoz branch, Islamic azad university, ramhormoz, iran
2 - Department of water engineering, arak branch, Islamic azad university, arak, iran

Received: 2019-02-24 Accepted : 2020-07-11 Published : 2020-07-22

Keywords: Physical model, Siphon spillway, Scour extending, dimensional analysis,

Abstract :

In this research work, besides analyzing the scour hole at the downstream of the siphon spillway physical model, some equations have been presented to predict scour hole developing. A physical model of siphon spillway along with three flip buckets of angle 30°, 45° and 60° for three types of sedimentary materials of mean size 1.8, 3.5 and 1.4 (mm) were used to study scour hole formation process. Geometric characteristics of the scour hole were collected for four flow discharges of 39.2, 42.12, 42.12, 49.76 (lit/s) and five tail-water depths of 15, 20, 25, 30 and 35 (cm) using a mesh grid size of 10 (cm) ×10 (cm). Three dimensionless parameters were extracted for analyzing experimental results using dimensional analysis. Of all scour hole dimensions, scour depth (ds), scour length (Ls) and distance of downstream hill up to bucket lip (L6) were adjusted for numerical modeling. Results showed that increasing flow rate causes growth and developing of scour hole geometric properties simultaneously. Increasing the particle size showed an inverse relationship with three dimensions of the scour hole. Also, the reduction of the bucket's angle led to a reduction in ds, Ls and L6. The maximum correlation coefficient obtained between ds, Ls and L6 with particle size, flip bucket angle and discharge/tailwater, respectively. Finally, predictors were presented to describe above-mentioned dimensions of scour hole dimensions.

References:

1)        اسمعیلی­ورکی م، کنعانی ا، نوابیان م، اشرف س­ح، 1394. پیش­بینی حداکثر عمق آبشستگی اطراف گروه پایه کج با استفاده از سیستم استنتاج فازی-عصبی تطبیقی بهینه شده با الگوریتم ژنتیک. نشریه پژوهش­های حفاظت آب وخاک، 22(8): 283-294.

2)        رضا­زاده ع، ستاری م­ت، 1394. تخمین عمق چاله‌ آبشستگی پایه‌ پل در سازه‌های آبی با روش رگرسیون فرایند گاوسی. مجله تحقیقات مهندسی سازه­های آبی و زهکشی، (65)16: 36-19.

3)         رجایی ا، اسمعیلی­ورکی م، شفیعی­ثابت ب، 1396. مطالعه آزمایشگاهی آبشستگی موضعی در پایین­دست سازه­های کنترل تراز بستر با پلان کنگره­ای. تحقیقات مهندسی سازه­های آبیاری و زهکشی. 68(18): 129-142.

4)        رحیمی س، کاشفی­پور س­م، شفاعی­بجستان م، فتحی ا، 1396. بررسی آزمایشگاهی ابعاد هندسی چاله­ آبشستگی در آبشکن­های مختلف در قوس 90 درجه در شرایط غیرمستغرق. نشریه آب و خاک. 31(1): 101-111.

5)        نجفی ج، قدسیان م، 1383. بررسی آزمایشگاهی ابعاد حفره آبشستگی پایین­دست کالورت لوله­ای. نشریه دانشکده فنی، 38(2): 329-338.

6)        نقی­خانی ا، نوری ر، شیخیان ح، قیاسی ب، 1393. تخمین ابعاد چاله آبشستگی پایین­دست جام پرتابی سدها با استفاده از مدل محاسبات دانه­ای. مجله هیدرولیک. 9(3): 45-60.

7)         هوشیاری­پور ف، نوری ر، 1392. استفاده از تکنیک ماشین­بردار پشتیبان در پیش­بینی ابعاد چاله آبشستگی پایین­دست یک پرتابه جامی شکل. مهندسی آب و محیط­زیست ایران. 1(1): 35-45.

8)       Azmathullah HMD, Deo MC, Deolalikar PB, 2005. Neural networks for estimation of scour downstream of ski-jump bucket. J. of Hydraul. Eng., ASCE, 131(10): 898-908.

9)       Bollaert EFR, Schleiss AJ, 2003. Scour of rock due to the impact of plunging high-velocity jets”, Part II: experimental results of dynamic pressures at pool bottoms and in one and two dimensional closed end rock joints”, J. Hydraul. Res. 40(5): 15-30.

10)    Bormann NE,  Julien PY, 1991. Scour downstream of grade-control structures. J. Hydraul. Eng.,ASCE, 117(5): 579–594.

11)    Bormann NE, 1988. Equilibrium local scour depth downstream of grade-control structures.” Ph.D. dissertation, Dept. of Civil Engineering, Colorado State Univ., Fort Collins, CO.

12)    Chakravarti A.,  Jain RK, Kothyari UC, 2013. Scour under Submerged Circular Vertical Jets in Cohesion-less Sediments. ISH Journal of Hydraulic Engineering, 17(2): 175-192.

13)    D’Agostino V, Ferro V, 2004. Scour on alluvial bed downstream of grade-control structures. J. Hydraul. Eng., 130(1): 24–37.

14)    Dey S, Raikar RV, 2007. Scour below a high vertical drop. J. Hydraul. Eng., ASCE, 133(5): 564-568.

15)    Khatsuria RM, 2005. Hydraulics of Spillways and Energy Dissipaters. Marcel Dekker Press., New York: 129-147.

16)    Mason PJ, Arumugam K, 1985. Free jet scour below dams and flipbuckets. J. Hydraul. Eng., ASCE, 111(2): 220–235.

17)    Mossa M, 1998. Experimental study on the scour downstream of grade-control structures. Proc., 26^th  Convengno di Idraulica e Construzioni Idrauliche, Catanai, Italy, September, 3: 581–594.

18)    Pagliara S, Roy D, Palermo M, 2009. 3D plunge pool scour with protection measures. J. of Hyd.- Env. Res., 4: 225-233.

19)    Schoklitsch A, 1932. Kolkbildung unter uberfallstrahlen. Wasserwirtschaft, 343.

20)    Scurlock SM, Thornton CI, Abt SR, 2012. Equilibrium Scour Downstream of Three-Dimensional Grade-Control Structures. J. Hydraul. Eng., ASCE, 138: 167-176.